4.6 Обзор архитектур процессоров Intel
Корпорация Intel является "законодателем мод" на рынке микропроцессоров, а ее продукты стали де-факто стандартом в компьютерной индустрии. Конечно, существует большое количество других производителей и распространенных семейств МП (те же процессоры Motorola и др.), однако наиболее распространенными во всем мире, и особенно в России, являются все же процессоры Intel.
Кроме того, в течении многих лет другие разработчики МП (AMD, NextGen, VIA и др.) выпускают свои аналоги процессоров, совместимых по системам команд с МП Intel. Поэтому, анализируя эволюцию процессоров Intel, мы проследить историю развития микропроцессоров общего назначения вообще. А история развития процессоров Intel подтверждает в целом закон Мура, сформулированный одним из основателей империи Intel Гордоном Муром еще в 1965 году: "каждые 1,5-2 года выпускается новый процессор, степень интеграции которого (и производительность) вдвое выше, чем у предыдущего."Согласно информации Intel /11/, за 24 года количество транзисторов в кристалле МП увеличилось более чем в 3700 раз от 29 тыс. в процессоре i8086 (выпущен в 1978 г.) до 108 млн в Intel Pentium IV. При этом производительность процессоров возросла более чем в 6000 раз (от 0.8MIPS для i8086 до приблизительно 5000 MIPS для Pentium IV 2,6 ГГц) !
Таблица 4.4
Существенной особенностью всех процессоров x86 является их совместимость снизу вверх, что позволяет до сих пор пользоваться программами, написанными 20 лет назад!
В таблице 4.4 приведены характеристики основных процессоров x86 вплоть до Pentium III, а в таблице 4.5 - характеристики последнего поколения процессоров Pentium IV. Проследим кратко историю эволюции этих процессоров.
Первый процессор семейства х86 (или - Архитектуры Intel) - i8086 - был 16-разрядным, имел 16-разрядную внешнюю шину данных и 20-разрядную шину адреса, что позволяло адресовать до 1Мб внешней памяти. Память имела сегментную организацию с сегментами до 64К. Аналогичный процессор i8088 имел внешнюю шину в 8 бит, что удешевило популярные персональные системы IBM PC/XT. В процессоре i80286 был реализован "защищенный режим" работы, позволявший адресовать до 16Мб памяти, использовавший дескрипторные таблицы, систему с кольцами защиты памяти и аппаратной поддержкой переключения задач. Это новшество позволило перенести в среду персональных ЭВМ элементы операционных систем больших ЭВМ и майнфреймов -многозадачность, защиту памяти и системных ресурсов.
Таблица 4.5
Процессор i80386 был 32-разрядным, адресовал до 4Гб памяти, включал аппаратную поддержку виртуальной памяти и возможность адресовать всю память в «плоском» режиме. На машинах с этим процессором можно было реализовывать операционную систему UNIX - классическую систему майнфреймов. В процессоре 386 уже использовалось распараллеливание при одновременной работе 6 устройств процессора.
В процессоре i80486DX появилась встроенная КЭШ-память 1 уровня (L1) объемом 8К, встроенный математический сопроцессор, а также -пятиступенчатый конвейер в устройствах декодирования и исполнения команд.
Рис 4.12
Процессор IntelPentium явился первым суперскалярным процессором (Рис.4.12). В нем был реализован двух потоковый конвейер, который позволял одновременно обрабатывать до двух команд в такте. (Правда, при этом существовало много ограничений, но тем не менее.) Процессор включал раздельную КЭШ-память для инструкций и данных (по 8К), поддерживающую режим обратной записи.
Внутренняя разрядность процессора осталась 32 разряда, но некоторые внутренние шины имели разрядность 128 и даже 256 разрядов, а внешняя шина - 64 разряда. В процессоре было реализовано динамическое предсказание переходов и поддержка мультипроцессорных конфигураций.
Появление процессора Pentium Pro дало начало новой модификации Intel Architecture - архитектуре P6.
Процессор (рис. 4.13) имеет 3-х потоковый конвейер, что позволяет достичь большей степени распараллеливания по сравнению c обычным Pentium. Главной отличительной особенностью процессора является, пожалуй, динамическое исполнение (Dynamic Execution) - реализация неупорядоченного выполнения, спекулятивного исполнения (исполнения по предположению) и усовершенствованного блока предсказаний. В процессоре реализована суперконвейерная архитектура, поскольку он содержит 13 более мелких ступеней конвейера по сравнению с 5 у Pentium, на которых исполняются специальные RISC-подобные инструкции процессора, получившие названия micro-ops. Три буфера декодирования параллельно формируют три потока таких инструкций, которые затем направляются в пять исполнительных устройств, результаты обработки в которых затем собираются в правильном порядке в блоке сборки.
Процессор содержит две КЭШ-памяти L1 по 8К, а также - КЭШ второго уровня (L2) объемом в 256К, реализованную в том же корпусе, что и основной кристалл процессора и обменивающуюся с ним по скоростной шине шириной в 64 разряда. Шина адреса процессора имеет 36 разрядов, что обеспечивает адресное пространство в 64 Гбайт.
Как мы видим, прогресс в области архитектур процессоров Intel во многом определялся последовательной реализацией способов борьбы с конфликтами при конвейеризации, рассмотренными нами ранее.
Уже после реализации Pentium Pro Архитектура Intel дополнилась реализацией векторных SIMD - инструкций, которая получила название технологии MMX (MultiMedia eXtensions - мультимедийные расширения). Суть новой технологии заключалась в реализации с помощью широких регистров математического сопроцессора целочисленных команд обработки векторов размерностью до 8 чисел по 8 бит. Эти команды позволяли ускорить обработку видео и аудио информации за счет ускорения векторных и матричных операций. Так появились процессоры Pentium MMX, с максимальной частотой до 233Мгц (300 Мгц в варианте для notebook).
Процессор Pentium II стал дальнейшим развитием архитектуры P6 (фирма Intel широко использует для своей основной архитектуры обозначение IA32). Архитектурно процессор стал симбиозом Pentium Pro с поддержкой MMX -инструкций. Кроме того, в нем реализована КЭШ-память с более быстродействующей шиной и большего объема, а также ряд технологических и конструктивных улучшений, связанных с выбором корпуса, процессорной шины и т.д.
Рис. 4.13
Процессор Pentium III, заявленный как процессор, специально спроектированный для поддержки Internet-приложений, в дополнение к стандартному набору инструкций MMX включает набор из 70 новых инструкций SSE (Streaming SIMD Extensions - потоковые расширения SIMD). Кроме того, теперь каждый процессор снабжен уникальным серийным номером для его идентификации в сети Internet. Ряд серьезных изменений произошел в архитектуре процессора Pentium IV. Этот процессор уже не относится к архитектуре P6, хотя продолжает линейку IA-32. К его ключевым особенностям можно отнести кэш второго уровня, помещенный на кристалл процессора, увеличенную до 400(533)МГц частоту передней шины, 144 новых векторных инструкций SSE2, хранение так называемых трасс декодированных внутренних инструкций в специальном КЭШе и другие изменения.
5 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА